Утицај модификације површине угљеничних материјала на њихова својства и адсорпцију одабраних естрогених хормона из воде

Abstract

Предмет истраживања ове докторске дисертације је модификација површине различитих угљеничних материјала у циљу добијања ефикасних адсорбената за уклањање естрогених хормона естрона (Е1), 17β-естрадиола (Е2) и 17α-етинилестрадиола (ЕЕ2) из воде, као и за екстракцију хормона на чврстој фази. Активиранa угљеничнa тканинa, угљеничне наноцеви и угљенични криогел су хемијски модификовани помоћу HNO3, KOH или HCl, док је карбонизовани хидротермални угљеник активиран помоћу KOH. Активација је резултовала значајним повећањем специфичне површине и пречника пора. Хемијска модификација је довела до мањих или већих промена у морфологији површине материјала, као и у саставу и количини површинских група. Најзначајније промене су запажене након HNO3 третмана, који је најчешће резултовао повећањем специфичне површине, удела мезопорозности и садржаја карбоксилних површинских група. Испитивање процеса адсорпције Е1, Е2 и ЕЕ2 на немодификованим и модификованим материјалима је показало да ефикасност и брзина адсорпције расту са повеђањем удела мезопорозности и да зависе од састава површинских група. Предложени механизам адсорпције је формирање водоничних веза између хидроксилних група естрогених хормона и кисеоничних група на површини материјала. Вредности максималних адсорпционих капацитета хемијски модификованих материјала су високе и указују на могућу примену за уклањање естрогених хормона из воде. Ефикасност десорпције хормона са модификованих материјала је такође висока, што је корисно са аспекта поновне употребе материјала. Оптимизована је метода екстракције Е1, Е2 и ЕЕ2 на хемијски модификованом угљеничном крогелу, при чему су добијене високе вредности приноса и висока селективност методе. Показано је да се овај материјал може успешно користити у анализи реалних узорака воде са ниском концентрацијом хормона.

The subject of research in this doctoral dissertation is the modification of the surface of various carbon materials with the aim of obtaining efficient adsorbents for the removal of estrogenic hormones, estrone (E1), 17β-estradiol (E2), and 17α-ethinylestradiol (EE2) from water, as well as for hormone extraction on a solid phase. Activated carbon cloth, carbon nanotubes, and carbon cryogel were chemically modified using HNO3, KOH, or HCl, while carbonized hydrothermal carbon was activated using KOH. Activation resulted in a significant increase in specific surface area and pore volume. Chemical modification led to minor or major changes in material surface morphology, as well as in the composition and quantity of surface groups. The most significant changes were observed after HNO3 treatment, which most frequently resulted in increased specific surface area, mesoporosity content, and carboxyl surface group content. Investigations into the adsorption process of E1, E2, and EE2 on unmodified and modified materials showed that the efficiency and speed of adsorption increase with the increase in mesoporosity content and depend on the composition of surface groups. The proposed adsorption mechanism involves the formation of hydrogen bonds between the hydroxyl groups of estrogenic hormones and oxygen groups on the material's surface. The values of the maximum adsorption capacities of chemically modified materials are high, indicating their potential application for the removal of estrogenic hormones from water. The desorption efficiency of hormones from modified materials is also high, which is beneficial for material reuse. An optimized method for the extraction of E1, E2, and EE2 on chemically modified carbon cryogels was developed, resulting in high recoveries and method selectivity. It has been demonstrated that this material can be successfully used in the analysis of real water samples with low hormone concentrations.